一种提高低碳微合金钢强韧性的方法

1.本发明涉及材料组织控制与热处理领域，特别是涉及一种提高低碳微合金钢强韧性的方法。


背景技术：

2.低碳微合金钢的综合力学性能良好，同时具有良好的焊接性，可用于压力容器、油罐、车辆、矿山机械、桥梁等承受动力载荷的结构件的生产制造。我国低碳微合金钢产量巨大，但主要集中于中低端产品。国产低碳微合金钢的性能上限与国外同成份产品存在较大差距，从而导致了对于性能要求较高的高端产品，国内往往需要采用更高等次的材料，这将大幅提高生产成本。因此，如何进一步提高国产低碳微合金钢性能意义重大。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种提高低碳微合金钢强韧性的方法，在材料成分基本不变的情况下，以进一步提高低碳微合金钢材料的力学性能。
4.本发明的技术方案是：
5.一种提高低碳微合金钢强韧性的方法，具体过程如下：
6.(1)在低碳微合金钢标准成分基础上进行微合金调整，添加0.05～0.15wt％的v元素；
7.(2)采用高温扩散退火工艺减轻或消除偏析；
8.(3)通过两次以上临界区保温及变速淬火工艺来获得马氏体组织，同时细化晶粒尺寸；
9.(4)通过回火工艺来控制马氏体分解产物，并得到最终组织。
10.所述的提高低碳微合金钢强韧性的方法，步骤(2)中，高温扩散退火工艺为：将低碳微合金钢加热至1200～1250℃进行保温，保温时间按0.5～2h/25mm厚进行选择，保温结束后炉冷至室温。
11.所述的提高低碳微合金钢强韧性的方法，步骤(3)中，临界区保温及变速淬火工艺，第一次工艺参数为：直接加热至ac1～ac3温度，保温时间为1～3h，随后出炉空冷至550～650℃，之后水冷至室温；第二次工艺参数为：加热至500～550℃，保温时间为1～3h，随后加热至ac1～ac3温度，保温时间为1～3h，随后出炉空冷至550～650℃，之后水冷至室温；之后的临界区保温及变速淬火工艺与第二次工艺参数保持一致。
12.所述的提高低碳微合金钢强韧性的方法，步骤(3)中，临界区淬火次数通常为3～5次。
13.所述的提高低碳微合金钢强韧性的方法，步骤(3)中，经过临界区保温及变速淬火工艺后，马氏体组织的体积比例范围为15～30％，晶粒尺寸范围为20μm～40μm。
14.所述的提高低碳微合金钢强韧性的方法，步骤(4)中，回火工艺参数为：加热至500～600℃进行回火，保温时间为1～3h，保温结束后出炉空冷至室温。
15.本发明提高低碳微合金钢强韧性的机理是：
16.本发明通过多次临界区保温及变速淬火工艺，可实现在低碳微合金钢淬火组织中引入一定比例的马氏体组织。与铁素体及贝氏体组织相比，回火马氏体组织内部具有更高的位错以及亚界面密度，从而提高材料强度。经过适当的回火处理后，马氏体组织中析出的球状碳化物细小弥散，不易成为裂纹源，不会降低材料的裂纹萌生功；而由于马氏体组织呈岛状分布于铁素体基体之上，因此其引入会带来大量的相界面，再加上马氏体组织本身具有丰富的界面，这些界面存在会使裂纹扩展方向发生偏转，从而增加裂纹扩展路径，有效提高材料的裂纹扩展功。此外，少量钒的加入可引入细小mc碳化物，从而达到细化奥氏体晶粒的目的，这同样有利于材料强韧性的同步提高。
17.本发明的优点及有益效果是：
18.1、本发明在材料成分基本不变的情况下实现了低碳微合金钢性能的显著提升，其力学性能指标可实现：屈服强度(re)≥450mpa，抗拉强度(rm)≥520mpa，伸长率(a)≥20％，-46℃冲击功(akv)≥70j。
19.2、本发明操作简单，所得样品组织均匀稳定，性能优良，非常适合批量化生产。
20.3、本发明可广泛应用于各类低碳微合金钢。
附图说明
21.图1为实施例1改进后的低碳微合金钢的终态组织。
22.图2为实施例2改进后的低碳微合金钢的终态组织。
23.图3为实施例3改进后的低碳微合金钢的终态组织。
具体实施方式
24.在具体实施过程中，本发明方法的具体过程如下：(1)在低碳微合金钢标准成分基础上添加少量v元素；(2)采用高温扩散退火工艺减轻或消除偏析；(3)通过多次临界区保温及变速淬火来获得一定比例的马氏体组织，同时细化晶粒尺寸；(4)通过回火工艺来控制马氏体分解产物，并得到最终组织。
25.现有低碳微合金钢标准成分范围要求如下：
26.元素含量(wt％)c0.08～0.12si0.20～0.35mn0.90～1.40p≤0.01s≤0.006ni0.60～0.70cr0.20～0.30mo0.20～0.30fe余量
27.下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
28.实施例1
29.本实施例中，在现有低碳微合金钢成分范围基础上，添加0.12wt％的v。材料最终成分为：0.11c-0.30si-0.95mn-0.01p-0.005s-0.61ni-0.20cr-0.22mo-0.12v(重量百分比，fe余量)，其制备方法包括熔炼、锻造和热处理。其中：
30.熔炼：按低碳微合金钢的化学成分及组成配料，并将其加入到真空感应熔炼炉中，在1650℃温度熔炼，浇铸得到铸锭；
31.锻造：将铸锭在1150℃保温6h后进行三墩三拔，锻造完成后空冷至室温；
32.热处理采用如下步骤：
①
样品经锻造后加热至1250℃进行保温，保温时间为2h，炉冷至室温。
②
将样品加热至820℃，保温2h，随后出炉空冷至600℃，之后水冷至室温。
③
将样品加热至540℃，保温2h，随后加热至820℃，保温2h，随后出炉空冷至600℃，之后水冷至室温。
④
将样品加热至540℃，保温2h，随后加热至820℃，保温2h，随后出炉空冷至600℃，之后水冷至室温。本实施例中，经过临界区保温及变速淬火后，马氏体组织的体积比例约为20％，晶粒尺寸平均约为25μm。
⑤
将样品加热至540℃进行回火，保温时间为2h，保温结束后出炉空冷至室温。
33.经过上述热处理后，可以很好的改善低碳微合金钢最终组织，材料的组织见图1，其性能如下：
34.屈服强度(re)为566mpa，抗拉强度(rm)为481mpa，伸长率(a)为21％，-46℃冲击功(akv)为113j。
35.实施例2
36.本实施例中，在现有低碳微合金钢成分范围基础上，添加0.06wt％的v。材料最终成分为：0.09c-0.32si-1.07mn-0.008p-0.004s-0.63ni-0.26cr-0.25mo-0.06v(重量百分比，fe余量)，其制备方法包括熔炼、锻造和热处理。其中：
37.熔炼：按低碳微合金钢的化学成分及组成配料，并将其加入到真空感应熔炼炉中，在1650℃温度熔炼，浇铸得到铸锭；
38.锻造：将铸锭在1150℃保温6h后进行三墩三拔，锻造完成后空冷至室温；
39.热处理采用如下步骤：
①
样品经锻造后加热至1216℃进行保温，保温时间为1.5h，炉冷至室温。
②
将样品加热至810℃，保温2.5h，随后出炉空冷至580℃，之后水冷至室温。
③
将样品加热至520℃，保温2.5h，随后加热至810℃，保温2.5h，随后出炉空冷至580℃，之后水冷至室温。
④
将样品加热至520℃，保温2.5h，随后加热至810℃，保温2.5h，随后出炉空冷至580℃，之后水冷至室温。本实施例中，经过临界区保温及变速淬火后，马氏体组织的体积比例17％，晶粒平均尺寸约为22μm。
⑤
将样品加热至520℃进行回火，保温时间为2.5h，保温结束后出炉空冷至室温。
40.经过上述热处理后，可以很好的改善低碳微合金钢最终组织，材料的组织见图2，其性能如下：
41.屈服强度(re)为557mpa，抗拉强度(rm)为476mpa，伸长率(a)为21.5％，-46℃冲击功(akv)为119j。
42.实施例3
43.本实施例中，在现有低碳微合金钢成分范围基础上，添加0.10wt％的v。材料最终成分为：0.10c-0.26si-1.31mn-0.005p-0.003s-0.67ni-0.22cr-0.28mo-0.10v(重量百分比，fe余量)，其制备方法包括熔炼、锻造和热处理。其中：
44.熔炼：按低碳微合金钢的化学成分及组成配料，并将其加入到真空感应熔炼炉中，在1650℃温度熔炼，浇铸得到铸锭；
45.锻造：将铸锭在1150℃保温6h后进行三墩三拔，锻造完成后空冷至室温；
46.热处理采用如下步骤：
①
样品经锻造后加热至1235℃进行保温，保温时间为1h，炉冷至室温。
②
将样品加热至830℃，保温1.5h，随后出炉空冷至615℃，之后水冷至室温。
③
将样品加热至530℃，保温1.5h，随后加热至830℃，保温1.5h，随后出炉空冷至615℃，之后水冷至室温。
④
将样品加热至530℃，保温1.5h，随后加热至830℃，保温1.5h，随后出炉空冷至615℃，之后水冷至室温。本实施例中，经过临界区保温及变速淬火后，马氏体组织的体积比例15％，晶粒尺寸平均约为20μm。
⑤
将样品加热至560℃进行回火，保温时间为1.5h，保温结束后出炉空冷至室温。
47.经过上述热处理后，可以很好的改善低碳微合金钢最终组织，材料的组织见图3，其性能如下：
48.屈服强度(re)为572mpa，抗拉强度(rm)为493mpa，伸长率(a)为19.5％，-46℃冲击功(akv)为106j。
49.实施例结果表明，本发明通过热处理工艺调控，引入岛状马氏体组织，实现了低碳微合金钢材料性能的大幅提高。
50.对本领域的技术人员来说，可依据上述技术方案与构想，结合实际作出其他各种相应的改变，而所有的改变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种提高低碳微合金钢强韧性的方法，其特征在于，具体过程如下：(1)在低碳微合金钢标准成分基础上进行微合金调整，添加0.05～0.15wt％的v元素；(2)采用高温扩散退火工艺减轻或消除偏析；(3)通过两次以上临界区保温及变速淬火工艺来获得马氏体组织，同时细化晶粒尺寸；(4)通过回火工艺来控制马氏体分解产物，并得到最终组织。2.根据权利要求1所述的提高低碳微合金钢强韧性的方法，其特征在于，步骤(2)中，高温扩散退火工艺为：将低碳微合金钢加热至1200～1250℃进行保温，保温时间按0.5～2h/25mm厚进行选择，保温结束后炉冷至室温。3.根据权利要求1所述的提高低碳微合金钢强韧性的方法，其特征在于，步骤(3)中，临界区保温及变速淬火工艺，第一次工艺参数为：直接加热至ac1～ac3温度，保温时间为1～3h，随后出炉空冷至550～650℃，之后水冷至室温；第二次工艺参数为：加热至500～550℃，保温时间为1～3h，随后加热至ac1～ac3温度，保温时间为1～3h，随后出炉空冷至550～650℃，之后水冷至室温；之后的临界区保温及变速淬火工艺与第二次工艺参数保持一致。4.根据权利要求1或3所述的提高低碳微合金钢强韧性的方法，其特征在于，步骤(3)中，临界区淬火次数通常为3～5次。5.根据权利要求1或3所述的提高低碳微合金钢强韧性的方法，其特征在于，步骤(3)中，经过临界区保温及变速淬火工艺后，马氏体组织的体积比例范围为15～30％，晶粒尺寸范围为20μm～40μm。6.根据权利要求1所述的提高低碳微合金钢强韧性的方法，其特征在于，步骤(4)中，回火工艺参数为：加热至500～600℃进行回火，保温时间为1～3h，保温结束后出炉空冷至室温。

技术总结
本发明涉及材料组织控制与热处理领域，特别是涉及一种提高低碳微合金钢强韧性的方法。该方法的具体过程如下：(1)在低碳微合金钢标准成分基础上添加少量V元素；(2)采用高温扩散退火工艺减轻或消除偏析；(3)通过多次临界区保温及变速淬火来获得一定比例的马氏体组织，同时细化晶粒尺寸；(4)通过回火工艺来控制马氏体分解产物，并得到最终组织。本发明可以很好的改善低碳微合金钢最终组织，显著提高低碳微合金钢材料的力学性能。微合金钢材料的力学性能。


技术研发人员：孙宸 刘航航 傅排先 刘宏伟 李殿中
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：2022.03.23
技术公布日：2023/10/6